钢轨气压焊接头断裂的组织分析

钢轨气压焊接头断裂的组织分析

随着铁路列车的快速启动，连接铁路的完美铁路和长度的完美铁路变得越来越流行，钢丝绳的压痕也越来越多。它的质量直接影响到铁路运输的安全。因此,铁路全面提速后,钢轨气压焊接头的质量对保证高速列车安全、平稳地运行显得极为重要。本文对京广线的某长轨断轨接头进行了组织分析。1试验过程1.1美国县一个程度分类钢轨断裂发生在气压焊焊接的热影响区,为脆性解理状断口,断口分裂纹源和断裂区两部分,见图1a。断口裂纹源位于钢轨底部角部,见图1b。裂纹源处断口较平整,呈瓷性断口状,断裂区均为从裂纹源开始的发散型撕裂纹。用线切割机将钢轨从裂纹源沿纵向朝母材方向取7个样,每块试样纵向尺寸为12mm,进行磨制、抛光、腐蚀,制成金相样品。1.2金相组织的能谱分析利用KYKY2800型扫描电镜对断口及金相组织进行观察,Finder1000型电子探针对局部区域进行能谱分析,结合光学显微镜对金相组织进行分析,并用HX-200型显微硬度计对样品进行显微硬度的测定。2试验结果与讨论2.1金相组织的光学显微镜分析2.1.1控钢含碳量的变化钢轨裂纹源处的金相组织为网状铁素体+珠光体组织,见图2a,越靠近裂纹,网状铁素体越多,由于钢轨的含碳量在0.72～0.82(wt%)之间,为共析成分钢,网状铁素体出现说明该处曾出现脱碳和过热现象。除网状铁素体外,裂纹源处金相组织中还发现有明显的热裂纹,见图2b,裂纹紧临断口,长约0.15mm,宽约0.03mm。2.1.2焊接热影响区的确定从过烧组织往母材方向,基本上为珠光体组织,见图3a,说明钢轨焊后经过了正火处理,原焊接热影响区的组织被改善。离开裂纹源大约8～10mm,组织中除珠光体外,没有发现因过烧引起的裂纹和脱碳现象,说明钢轨断裂不是由正火组织所致。在钢轨中距焊缝约50～70mm处,发现回火索氏体组织,见图3b。由于钢轨在焊接加热和正火加热时,加热器加热范围为焊缝左右约30mm,因而可以推断该位置是焊接加热时和正火加热时的热影响区。回火索氏体的出现说明钢轨焊接时,在该范围以内的焊接热影响区中曾出现过马氏体组织。在随后的正火加热时,50mm以内的加热温度超过727℃,马氏体经正火转变成珠光体组织,而50～70mm范围加热温度低于700℃,原马氏体组织转变为回火索氏体组织。2.2电子探针分析断轨裂纹源处的金相组织扫描电镜分析表明,裂纹源为过烧区,金相组织中有大量的过烧裂纹和过烧的蜂窝状空洞,见图4a,这些微裂纹尺寸大多在长0.5mm、宽0.05mm以内,为组织内存在的显微裂纹。在断轨裂纹源处,发现了源于裂纹源的热裂纹,见图4b,说明钢轨断裂与这些微裂纹存在密切相关。除热裂纹之外,在裂纹源附近还发现大量的冷裂纹,见图4c,图4c示出了源于裂纹源的冷裂纹,说明钢轨断裂与冷裂纹的存在也有关。利用电子探针对钢轨的基体、过烧裂纹、冷裂纹和蜂窝孔洞进行了成分分析,见图5。钢轨的基体成分除Fe外,还含有少量Mn、Si、Cr、S等元素,局部地区还出现有V、Al等,冷裂纹中夹杂物多为MnS,其中MnS的尺寸约为0.005～0.01mm,属于钢轨允许的正常范围,也说明冷裂纹的产生是应力与杂质共同作用的结果。对热裂纹与蜂窝状孔洞的电子探针分析表明,其成分与基体成分基本相似。由于该电子探针测不出O、C、H、N等元素,故可以认为该处可能为氧化铁,即这些孔洞和裂纹是由于焊接加热时温度过高以致使组织中大量的Fe氧化所致。由于加热温度过高,使该地区的C与空气中的O2化合形成CO或CO2气体跑掉,所以过烧与脱碳几乎是同时发生的。2.3断裂原因分析。在焊接断轨显微硬度测试,结果如表1所示。从表中可以看出,钢轨裂纹源、脱碳区、过烧区的硬度值偏低,说明这些区域有过组织过烧与脱碳,使钢轨性能变坏,强度、硬度值低于正火区与母材,从而进一步证实钢轨断裂是由于过烧与脱碳引起,相对而言,正火区和母材的性能较好。综上所述,钢轨断裂的主要原因是钢轨焊接过程中,钢轨底部加热温度过高,出现了过烧组织,即:产生了过烧裂纹和蜂窝状氧化物等缺陷,使钢轨底部强度下降。过烧时发生的脱碳现象,使钢轨底部出现大量网状铁素体,使钢轨底部强度、韧性进一步下降。在列车高速运转的作用下,导致钢轨从底部迅速断裂。钢轨断裂源处出现的冷裂纹,主要是由于施工过程中气温偏低,钢轨焊接后冷却速度较快,钢轨冷却到300℃以下温度时,焊接热影响区出现了马氏体组织,加上焊后没有及时进行正火处理,在外加应力和焊接应力的共同作用下,钢轨中夹杂物处马氏体发生应力集中而导致开裂,形成冷裂纹。钢轨的正火可以改善钢轨焊接后焊缝和热影响区的组织和性能,但不能消除钢中的过烧裂纹、冷裂纹、氧化空洞及脱碳等缺陷,因而不能防止由于这类缺陷所引起的断裂现象。3严格控制(1)钢轨焊接时,焊接加热温度,特